FR3114987A1

FR3114987A1 - Procédé de fabrication additive d’une ébauche en alliage d’aluminium à durcissement structural

Info

Publication number: FR3114987A1
Application number: FR2010414A
Authority: FR
Inventors: Gautier Doumenc; Pascal Paillard; Alexandre Benoit; Laurent Couturier
Original assignee: Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Current assignee: Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2040-10-12
Also published as: FR3114987B1

Abstract

Procédé de fabrication additive d’une ébauche en alliage d’aluminium à durcissement structural Procédé de fabrication additive d’une ébauche de pièce en alliage d’aluminium à durcissement structural, comportant l’étape consistant à déposer ledit alliage, à l’état de fusion, en couche par couche, sur un substrat de base, ledit alliage, l’étape de dépôt étant mise en œuvre par utilisation d’un matériel de soudage à l’arc avec fil-électrode en atmosphère gazeuse inerte (MIG) avec courant et matériau d’apport pulsés selon un procédé de transfert de métal à court-circuit (CMT), le matériau d’apport étant un alliage d’aluminium à durcissement structural, tout ou partie des paramètres du matériel de soudage, en particulier la vitesse du matériau d’apport, la vitesse de dépôt et la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte, étant contrôlés de manière à stabiliser le dépôt. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé de fabrication additive d’une ébauche en alliage d’aluminium à durcissement structural

La présente invention concerne le domaine de la métallurgie, en particulier celui de la métallurgie des alliages d’aluminium à durcissement structural. En particulier, l’invention présente un procédé de fabrication d’une ébauche en alliage d’aluminium à durcissement structural ainsi qu’une ébauche obtenue selon un tel procédé. L’invention concerne encore un procédé de fabrication d’une pièce en alliage d’aluminium à durcissement structural à partir d’une telle ébauche ainsi qu’une pièce réalisée selon un tel procédé.

Pour réaliser des pièces métalliques, en particulier des pièces en alliage d’aluminium à durcissement structural, il est connu de forger ou d’usiner un bloc de métal ou d’alliage métallique. Ces méthodes présentent notamment l’inconvénient de générer de la perte de matière.

Il est par ailleurs possible de réaliser des pièces métalliques en soudant des parties de pièces entre elles. Cependant, les alliages d’aluminium à durcissement structural des séries 6000 et 7000 ne sont pas soudables, de manière homogène, par des procédés classiques de soudure sans conduire à la formation de fissures dans la zone de soudure.

On connaît de FR 2 980 382 un procédé de rechargement de pièces métalliques en aluminium de turbomachine au moyen d'un appareillage de soudage comportant un générateur de courant pulsé et un débit de fil de métal d'apport pulsé. Le rechargement est réalisé au moyen d'un fil de métal d'apport dont la composition est de même nature que la composition de l'alliage d'aluminium de la pièce à recharger, le débit de fil de métal pulsé et la vitesse de rechargement de la pièce métallique de turbomachine étant adaptés de manière à réaliser un rechargement sans fissuration à chaud. Ce procédé permet de reconstruire une portion d’une pièce à recharger, par exemple une bride de carter de rétention d’une turbomachine en alliage d’aluminium sans fissuration à chaud.

Il existe ainsi un besoin de réaliser, en totalité, des pièces d’aluminium à durcissement structural sans fissures dont les caractéristiques mécaniques sont acceptables.

Procédé de fabrication d’une ébauche en alliage d’aluminium à durcissement structural

Pour répondre à tout ou partie de ces besoins, la présente invention propose, selon l’un de ses aspects, un procédé de fabrication additive d’une ébauche de pièce en alliage d’aluminium à durcissement structural.

Selon l’invention, le procédé comporte l’étape consistant à déposer ledit alliage, à l’état de fusion en couche par couche, sur un substrat de base, l’étape de dépôt étant mise en œuvre par l’utilisation d’un matériel de soudage à l’arc avec fil-électrode en atmosphère gazeuse inerte (MIG) avec courant et matériau d’apport pulsés selon un procédé de transfert de métal par court-circuit (CMT), le matériau d’apport étant un alliage d’aluminium à durcissement structural, tout ou partie des paramètres du matériel de soudage, en particulier la vitesse du matériau d’apport, la vitesse de dépôt et de préférence la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte, étant contrôlés de manière à stabiliser le dépôt.

Avantageusement, le matériau d’apport est choisi dans le groupe constitué par un fil, un feuillard, un barreau, de préférence un fil, ou un mélange de ceux-ci.

Par « alliage d’aluminium à durcissement structural », on entend des alliages d’aluminium choisis dans le groupe constitué par les alliages d’aluminium des séries 2000, 6000, 7000, de préférence des séries 6000 ou 7000, et un mélange de ceux-ci. Contrairement aux autres alliages d’aluminium, les alliages à durcissement structural ont des résistances mécaniques plus importantes.

Le procédé selon l’invention permet donc d’obtenir des ébauches dont la résistance mécanique est importante tout en économisant de la matière. Le procédé peut également permettre d’obtenir des ébauches avec des géométries complexes, par exemple non réalisables par usinage et/ou forgeage.

La vitesse du matériau d’apport et la vitesse de dépôt sont de préférence adaptées de manière à réaliser une ébauche sans fissuration à chaud.

Par « vitesse du matériau d’apport », on entend la vitesse moyenne de déplacement du matériau d’apport au sein du matériel de soudage, en direction de l’ébauche.

Par « vitesse de dépôt », on entend la vitesse moyenne de dépôt dudit alliage pour la réalisation de l’ébauche.

Pour une vitesse du matériau d’apport comprise entre 3,5 et 6,5 m/min environ, notamment comprise entre 3,9 et 5,5 m/min environ, la stabilisation du dépôt est avantageusement atteinte avec une vitesse de dépôt comprise entre 10 et 120 cm/min environ, notamment entre 20 et 100 cm/min.

La vitesse du matériau d’apport et la vitesse de dépôt sont de préférence couplées afin de garantir la qualité du dépôt. Autrement dit, la vitesse du matériau d’apport et la vitesse de dépôt sont de préférence déterminées l’une en fonction de l’autre afin de garantir la qualité du dépôt.

En variante, la vitesse du matériau d’apport et la vitesse de dépôt sont indépendantes l’une de l’autre.

Lors de l’étape de dépôt de l’alliage d’aluminium à durcissement structural sur le substrat de base ou sur la couche précédente, une partie du matériau d’apport, en déplacement dans la direction de dépôt, passe périodiquement dans un état de fusion, c’est-à-dire passe d’un état solide à un état liquide, notamment à l’extrémité du matériau d’apport qui est proche du substrat de base ou de la couche précédente. Au moins une partie de l’alliage d’aluminium du matériau d’apport en fusion est alors déposée sur le substrat de base ou la couche précédente, formant localement sur l’ébauche un bain de fusion. Ainsi, des bains de fusion sont périodiquement déposés. Au fur et à mesure du déplacement du matériau d’apport, dans la direction de dépôt, les bains de fusion déposés localement se refroidissent, passant d’un état liquide à un état solide. Lorsqu’un bain de fusion est déposé sur une couche précédente de l’ébauche, il fusionne avec celle-ci lors de son refroidissement.

Le passage périodique d’une partie du matériau d’apport dans un état de fusion est provoqué par un courant électrique pulsé, traversant le matériau d’apport, oscillant entre une intensité basse et une intensité haute ou pic d’intensité, la fréquence de pulsation étant avantageusement comprise entre 40 Hz et 60 Hz. De préférence, pour une tension comprise entre 10 V et 15 V, l’intensité électrique varie de manière périodique entre une intensité basse, par exemple de 15 A environ, et une intensité haute ou pic d’intensité de 150 A environ, par exemple.

Dans une première phase dite de pic d’intensité I, le matériau d’apport n’est pas en contact avec l’ébauche ou le substrat et avance dans la direction de l’ébauche ou du substrat. Dans cette phase de pic, l’intensité I qui traverse le matériau d’apport est à son pic, ce qui permet la formation d’un arc électrique entre le matériau d’apport et l’ébauche, de manière connue en soi. Dans cette phase, une partie du matériau d’apport passe dans un état de fusion et forme une goutte de matière fondue à une extrémité du matériau d’apport, notamment à l’extrémité du matériau d’apport qui est proche du substrat de base ou de la couche précédente.

Dans une seconde phase dite d’attente, la goutte de matériau fondu est maintenue à l’extrémité du matériau d’apport. Dans cette phase, le matériau d’apport est toujours en déplacement dans la direction de l’ébauche et l’intensité qui traverse le matériau d’apport est diminuée pour atteindre un plateau.

Dans une troisième phase dite de court-circuit, la goutte de matériau fondu portée à l’extrémité du matériau d’apport entre en contact avec l’ébauche ou avec le substrat. Il se forme alors un court-circuit qui déclenche une seconde diminution de l’intensité I. Le court-circuit déclenche un léger recul du matériau d’apport dans le matériel de soudage ce qui permet le dépôt de la goutte de matériau fondu, formant ainsi un bain de fusion. Une fois le bain de fusion déposé sur l’ébauche, le matériau d’apport est de nouveau mis en déplacement dans la direction de l’ébauche ou du substrat.

Par « stabiliser le dépôt», on entend que les paramètres du matériel de soudage, en particulier la vitesse du matériau d’apport, la vitesse de dépôt et la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte, sont contrôlés de manière à ce que les bains de fusion déposés aient sensiblement la même masse de matériau d’apport et sensiblement la même forme, c’est-à-dire sensiblement la même hauteur et sensiblement la même largeur. En particulier, lors de la phase de court-circuit, la vitesse de pénétration du matériau d’apport dans le bain de fusion doit être contrôlée de manière à limiter la projection de matières dans un état de fusion, avant le pic d’intensité. On limite ainsi la turbulence au sein du bain de fusion tout en stabilisant le flux de quantité de matière déposée, ce qui optimise l’évacuation des porosités.

Avantageusement, dans la mise en œuvre du procédé, à l’étape de dépôt, les paramètres du matériel de soudage sont contrôlés de manière à former ensemble une synergie, notamment afin d’optimiser les caractéristiques mécaniques de l’ébauche, en particulier afin de minimiser sa porosité. On cherche par exemple à obtenir une porosité telle que le rapport entre le volume des pores dans l’ébauche et le volume de l’ébauche est inférieur à 0,1%.

Ces paramètres du matériel de soudage comprennent notamment la vitesse de dépôt, la vitesse de matériau d’apport, la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte et des paramètres d’amélioration choisis dans le groupe constitué par la fréquence de pulsation du cycle d’intensité, l’intensité au pic, la durée de la phase du pic d’intensité, la vitesse de dépôt instantanée dans la phase d’attente, l’intensité dans la phase d’attente, l’intensité dans la phase de court-circuit, la variation temporelle d’intensité entre la phase de court-circuit et la phase de pic, la variation temporelle d’intensité entre la phase de pic et la phase d’attente, la tension, la durée de la variation de l’intensité entre l’intensité dans la phase de court-circuit et l’intensité dans la phase de pic, , le débit de gaz protecteur, la correction de la hauteur d’arc, la durée de pré-gaz, la durée de post-gaz, la durée de correction de rétractation du matériau d’apport et la durée inter-passes.

La vitesse du matériau d’apport conditionne, de préférence, tout ou partie des paramètres de la synergie.

De préférence, l’alliage d’aluminium à durcissement structural est choisi parmi la série 6000, notamment les alliages d’aluminium 6005, 6060, 6061, 6063, 6082, 6101 et 6262, ou la série 7000, notamment l’alliage d’aluminium 7075.

Pour mettre en œuvre le procédé avec un matériau d’apport comportant un alliage d’aluminium à durcissement structural 6061 et présentant un diamètre égal à 1,2 mm environ, dans lequel pour une vitesse du matériau d’apport comprise entre 3,8 et 5,3 m/min environ, notamment entre 4 et 4,9 m/min environ, la stabilisation du dépôt est avantageusement atteinte avec une vitesse de dépôt comprise entre 40 cm/min et 80 cm/min environ.

De préférence, la composition du gaz protecteur comporte un mélange d’argon et d’hélium, notamment un mélange en volume de 80% d’argon (Ar) et de 20% d’hélium (He) environ. Un tel mélange permet de minimiser la viscosité du bain de fusion, ce qui facilite l’évacuation des porosités. Le débit de gaz protecteur Ar80%He20% est de préférence compris entre 10 L.min^-1et 25 L.min^-1environ, de préférence égal à 15 L.min^-1environ.

La durée de la phase du pic d’intensité correspond au temps pour passer de la phase de court-circuit à la phase d’attente. Durant cette phase du pic, le passage de l’intensité basse de la phase de court-circuit à l’intensité du pic se fait selon une variation temporelle d’intensité prédéterminée, notamment comprise entre 100 A/ms et 300 A/ms environ, de préférence égale à 220 A/ms environ, pendant une durée de variation prédéterminée mesurée, de préférence égale à 0,5 ms environ. Une fois au pic, l’intensité est constante jusqu’à la phase d’attente. La durée de la phase du pic d’intensité est de préférence comprise entre 1 ms et 50 ms environ, mieux entre 1 ms et 10 ms environ, mieux égale à 1,8 ms environ.

La longueur de l'arc électrique dans la phase de pic d’intensité doit être neutre, c’est-à-dire ni trop courte ni trop longue. La correction de la hauteur d’arc, paramètre permettant de faire varier la longueur de l’arc électrique, doit de préférence être proche de 0%.

Dans la phase d’attente, l’intensité passe du pic à une valeur d’intensité de la phase d’attente, de préférence de l’ordre de 60 A environ, selon une variation temporelle d’intensité prédéterminée mesurée, de préférence comprise entre 100 A/ms et 300 A/ms environ, de préférence égale à 220 A/ms environ. Dans la phase d’attente, la vitesse de dépôt instantanée est réduite, de préférence presque nulle.

La phase d’attente se termine quand le court-circuit se produit. L’intensité est alors abaissée pour atteindre une intensité de phase de court-circuit choisie, avantageusement comprise entre 15 A et 100 A environ, de préférence égale à 15 A environ.

Avant la formation de l’arc électrique dans la phase de pic d’intensité, il est possible d’envoyer un gaz protecteur en direction de l’ébauche pendant une durée prédéterminée mesurée de pré-gaz. De préférence, aucun gaz protecteur n’est envoyé en direction de l’ébauche avant la formation de l’arc électrique, ce qui correspond à une durée de pré-gaz égale à 0 s.

Après chaque dépôt d’une goutte de matériau d’apport fondu, un gaz protecteur est de préférence envoyé en direction de l’ébauche pendant une durée prédéterminée mesurée de post-gaz afin de protéger le bain de fusion. La durée de post-gaz est de préférence égale à 3s environ.

Pour limiter les risques de collage entre le matériau d’apport et la goutte de matériau d’apport fondu dans la phase de court-circuit, l’intensité électrique est de préférence maintenue à la valeur du plateau d’intensité de la phase d’attente pendant une durée prédéterminée mesurée de correction de rétractation du fil, de préférence comprise entre 0,01 s et 0,5 s environ, de préférence égale à 0,06 s environ.

Après le dépôt d’une couche, il est possible de laisser un temps d’attente avant le dépôt éventuel d’une nouvelle couche pendant une durée prédéterminée mesurée dit durée inter passes. La durée inter passes est de préférence comprise entre 4 s et 60 s environ, de préférence égale à 10 s environ.

De préférence, on régule le système de refroidissement, c’est-à-dire la boîte à eau, à une température prédéterminée, notamment 20°C environ.

Dans un mode de réalisation particulier, le substrat de base est réalisé dans le même matériau que le matériau d’apport ou est réalisé dans un matériau de même composition. Dans ce cas, le substrat forme une partie de l’ébauche.

Dans un mode de réalisation particulier, le procédé comporte une étape de décapage du substrat. L’étape de décapage du substrat consiste par exemple à racler la surface de dépôt du substrat à l’aide d’un racloir, de manière à diminuer la quantité d’alumine riche en polluant présente sur cette surface de dépôt, et/ou à réaliser un dégraissage, par exemple en utilisant un solvant, notamment de l’acétone et/ou de l’alcool à 80%.

Dans un mode de réalisation particulier, le substrat de base comporte une latte support envers. La latte support envers peut être réalisée, par exemple, dans un matériau réfractaire thermiquement et conducteur ou en cuivre refroidi. Lors du dépôt du bain de fusion, la latte support envers permet de retenir le bain de fusion sans fusionner avec celui-ci. Lors du refroidissement du bain de fusion, l’alliage d’aluminium passe d’un état liquide à un état solide. Il est alors possible de séparer aisément la latte support envers et l’alliage d’aluminium, par exemple sans utilisation d’un outil de découpe ou d’une pince. Le procédé peut comporter l’étape qui consiste à séparer le substrat de base, notamment formé par une latte support envers, de l’ébauche en alliage d’aluminium à durcissement structural.

Le procédé comporte avantageusement une étape de traitement thermique de l’ébauche. Un tel traitement thermique peut permettre d’améliorer les caractéristiques mécaniques de l’ébauche, notamment d’augmenter sa dureté. Le traitement thermique est de préférence choisi dans le groupe constitué par une mise en solution suivie d’une trempe ou d’une hypertrempe, un mûrissement naturel ou un revenu, un recuit, un traitement thermique complet dit T6 et un mélange de ceux-ci, de préférence un traitement thermique complet T6.

Dans le cas d’un traitement thermique comportant une mise en solution, les contraintes résiduelles, d’ordre thermomécanique, au sein de l’ébauche, formées au cours du procédé de fabrication de l’ébauche, sont relaxées.

Par « traitement thermique complet dit T6 », on entend un traitement thermique comportant une mise en solution, de préférence à 530°C environ pendant 1h environ, une hypertrempe, par exemple dans de l’eau ou dans l’air, et un revenu, de préférence à 175°C environ pendant 8h environ.

Ebauche en alliage d’aluminium à durcissement structural

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, une ébauche en alliage d’aluminium à durcissement structural réalisée selon le procédé tel que défini plus haut.

Le procédé permet d’obtenir une ébauche qui ne présente pas de fissuration à chaud.

L’ébauche peut avoir subi, au cours du procédé, un traitement thermique comme défini plus haut. Un tel traitement thermique peut permettre d’améliorer la dureté de l’ébauche et sa résistance mécanique.

L’ébauche se présente avantageusement sous forme de plusieurs couches superposées d’alliage d’aluminium à durcissement structural, du fait de son procédé de fabrication. L’ébauche peut comprendre le substrat de base, de préférence fabriqué dans le même alliage d’aluminium à durcissement structural que les couches de l’ébauche. En variante, l’ébauche peut ne pas comprendre de substrat de base sur lequel elle a été réalisée, le substrat de base, par exemple formé par une latte support envers, ayant été séparé de celle-ci.

L’ébauche peut présenter une forme rectangulaire. En variante, l’ébauche peut présenter une autre forme, géométrique ou non, intégrant par exemple des reliefs, des parties arrondies, des parties rectilignes et/ou autres.

Le volume de l’ébauche peut être compris entre 0,0001 m³et 10 m³environ, par exemple.

Procédé de fabrication d’une pièce en aluminium à durcissement structural

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec qui précède, un procédé de fabrication d’une pièce en aluminium à durcissement structural, à partir d’une ébauche réalisée selon le procédé tel que défini plus haut, comportant une étape de finition de l’ébauche, choisie de préférence dans le groupe constitué par l’usinage et le forgeage.

Le procédé permet d’obtenir une pièce en alliage d’aluminium à durcissement structural tout en limitant la perte de matière lors de l’étape de finition.

A cet effet, l’ébauche pourra être réalisée de manière à limiter la quantité de matière à retirer de l’ébauche lors de l’étape de finition.

Le procédé peut comporter l’étape consistant à réaliser un traitement thermique de la pièce, notamment lorsqu’aucun traitement thermique n’a été mis en œuvre sur l’ébauche ou en complément du traitement thermique effectué sur l’ébauche.

Un tel traitement thermique est de préférence choisi dans le groupe constitué par une mise en solution suivie d’une trempe ou d’une hypertrempe, un murissement naturel ou un revenu, un recuit, un traitement thermique complet T6 et un mélange de ceux-ci, de préférence un traitement thermique complet T6. Un tel traitement thermique peut permettre d’améliorer la dureté de la pièce et/ou sa résistance mécanique.

Lorsque l’étape de finition consiste en un usinage, on peut effectuer un traitement thermique de l’ébauche avant usinage.

Lorsque l’étape de finition consiste en un forgeage, on peut effectuer un traitement thermique de la pièce après forgeage. Le forgeage peut consister en un matriçage.

Pièce en alliage d’aluminium à durcissement structural

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, une pièce en alliage d’aluminium à durcissement structural réalisée selon le procédé tel que défini plus haut.

Une telle pièce ne présente pas de fissuration grâce à l’invention. De plus, elle a une résistance mécanique importante du fait qu’elle est intégralement réalisée en alliage d’aluminium à durcissement structural.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel

la représente de manière schématique et en perspective une installation pour la mise en œuvre du procédé de fabrication d’une ébauche selon l’invention,

la représente un graphe de la mesure de l’intensité traversant le matériau d’apport dans la mise en œuvre du procédé de fabrication d’une ébauche selon l’invention,

la représente un graphe de la mesure de la tension entre le matériau d’apport et l’ébauche dans la mise en œuvre du procédé selon l’invention,

la représente un graphe avec différentes photographies en vue de côté de coupes transversales d’ébauches réalisés avec un procédé selon l’invention avec différentes vitesses de matériau d’apport et différentes vitesses de dépôt,

la représente une cartographie illustrant le rapport d’aspect de bain de fusion refroidi dans la mise en œuvre du procédé selon l’invention en fonction de la vitesse de dépôt et de la vitesse de matériau d’apport,

la représente une cartographie illustrant le critère d’acceptabilité dans la mise en œuvre du procédé selon l’invention en fonction de la vitesse de dépôt et de la vitesse de matériau d’apport,

la représente un graphe avec différentes photographies en vue de dessus d’ébauches réalisées avec un procédé selon l’invention avec différentes vitesses de matériau d’apport et différentes vitesses de dépôt,

la est une photographie en vue de dessus d’une coupe longitudinale d’ébauche réalisée avec un procédé de fabrication d’ébauche sans contrôle des paramètres comme dans le procédé selon l’invention,

la est une photographie d’une installation lors de la mise en œuvre du procédé selon l’invention,

la est une autre photographie de l’installation de la à un autre instant,

la est une autre photographie de l’installation des figures 9 et 10 à un autre instant,

la est une photographie en vue de dessus d’une coupe longitudinale d’un autre exemple d’ébauche réalisée avec le procédé selon l’invention,

la est un agrandissement d’un détail VI de la ,

la est une photographie d’une ébauche réalisée avec un procédé selon l’invention,

la est une radiographie de l’ébauche de la ,

la représente un graphe illustrant la dureté en fonction de l’emplacement au sein d’une ébauche réalisée selon le procédé de l’invention,

la représente un graphe similaire à celui de la d’une ébauche ayant subi un traitement thermique,

la représente un graphe similaire à celui de la d’une ébauche ayant subi un autre traitement thermique,

la représente un graphe similaire à celui de la d’une ébauche ayant subi un autre traitement thermique, et

la représente une pièce réalisée selon le procédé de l’invention.

Description détaillée

Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.

On a illustré à la une installation 1 permettant la mise en œuvre du procédé de fabrication d’ébauche selon l’invention.

L’installation 1 comporte un matériel de soudage à l’arc avec fil-électrode en atmosphère gazeuse inerte MIG (MIG pour Metal Inert Gas en anglais) avec courant et matériau d’apport pulsés selon un procédé de transfert de métal par court-circuit CMT (CMT pour Cold Metal Transfer en anglais). Dans l’exemple illustré, le gaz protecteur formant l’atmosphère inerte est un mélange d’argon et d’hélium selon un ratio 80%/20%.

Cette installation 1 comporte une torche 2 amenant le matériau d’apport 3, dans cet exemple un fil de diamètre égal à 1,2 mm environ. L’installation 1 comporte encore un support 4 et un substrat de base 6. Dans cet exemple, l’installation 1 comporte deux mors 5 permettant de maintenir le substrat de base sur le support 4. Sur le substrat de base 6, on réalise une ébauche 10 conformément au procédé selon l’invention. Sur la , on visualise une ébauche 10 en cours de fabrication à l’aide du procédé selon l’invention.

L’installation 1 permet de mettre en œuvre le procédé selon l’invention pour réaliser l’ébauche 10. Le matériau d’apport 3 comporte un alliage d’aluminium à durcissement structural de type 6061 dans l’exemple illustré.

Le procédé selon l’invention comporte l’étape consistant à déposer à l’état de fusion en couche 11 par couche 11, sur le substrat de base 6, l’alliage d’aluminium à durcissement structural du matériau d’apport 3. La vitesse du matériau d’apport, la vitesse de dépôt et la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte sont contrôlées de manière à stabiliser le dépôt. Grâce à l’invention, on obtient une ébauche 10 qui n’a pas de fissure et dont la résistance mécanique, du fait de l’utilisation d’un alliage d’aluminium à durcissement structural, est importante.

Sur la , on visualise la direction, selon un axe longitudinal X, de dépôt de la matière, c’est-à-dire de dépôt de l’alliage d’aluminium à durcissement structural, horizontale dans l’exemple illustré. On visualise également la direction, selon un axe Y, de déplacement du matériau d’apport 3 qui, dans cet exemple, est perpendiculaire à la direction de dépôt de la matière et vertical.

Toujours sur la , on visualise une flèche parallèle à l’axe X illustrant la direction de déplacement de la torche 2 pour le dépôt de matière pour réaliser la couche 11n en cours de dépôt. Comme cette couche 11n n’est pas la première couche, elle est déposée sur une couche 11 sous-jacente, couche 11n-1. Il est à noter que la première couche déposée, couche 11a, est déposée directement sur le substrat de base 6.

Le substrat de base 6 peut être réalisé dans le même alliage d’aluminium à durcissement structural que l’ébauche 10. Dans ce cas, après la fin de la réalisation de l’ébauche 10, le substrat de base 6 reste solidaire de l’ébauche 10.

Toujours dans ce cas, le procédé peut comporter une étape de décapage du substrat de base 6, par exemple en raclant la surface de dépôt du substrat 6 en combinaison avec un dégraissage à l’acétone.

On a illustré sur la un exemple de variation temporelle périodique de l’intensité I qui passe au travers du matériau d’apport 3 lors de la mise en œuvre du procédé. Dans cet exemple, la fréquence de pulsation est de 60 Hz.

Dans une première phase 30 dite de pic d’intensité I, le matériau d’apport 3 n’est pas en contact avec l’ébauche 10 ou le substrat de base 6 et avance dans la direction de l’ébauche 10 ou du substrat 6. Dans cette phase de pic 30, l’intensité I qui traverse le matériau d’apport 3 est à son maximum, c’est-à-dire à son pic, dans cet exemple l’intensité au pic vaut 150 A environ, ce qui permet la formation d’un arc électrique entre le matériau d’apport 3 et l’ébauche 10. Dans cette phase 30, une partie du matériau d’apport 3 passe dans un état de fusion et forme une goutte de matériau fondu à une extrémité du matériau d’apport 3, dans cet exemple à l’extrémité 33 du matériau d’apport 3.

Dans une seconde phase 31 dite d’attente, la goutte de matériau fondu est maintenue à l’extrémité 33 du matériau d’apport 3. Dans cette phase 31, le matériau d’apport est toujours en déplacement dans la direction de l’ébauche et l’intensité qui traverse le matériau d’apport 3 est diminuée pour atteindre un plateau, qui est à 50 A dans l’exemple de la .

Dans une troisième phase 32 dite de court-circuit, la goutte de matériau fondu portée à l’extrémité 33 entre en contact avec l’ébauche 10 ou avec le substrat 6. Il se forme alors un court-circuit qui déclenche une seconde diminution de l’intensité I. Dans l’exemple de la , l’intensité baisse jusqu’à 25 A. Le court-circuit déclenche un léger recul du matériau d’apport dans le matériel de soudage ce qui permet le dépôt de la goutte de matériau fondu, formant ainsi un bain de fusion.

La tension entre le matériel de soudage et l’ébauche est constante lors de la mise en œuvre du procédé comme illustré sur le graphe de la , où la tension est maintenue à 12 V environ.

On a illustré sur le graphe de la différentes coupes transversales d’ébauche 10 en cours de fabrication, en alliage d’aluminium 6061, obtenues après le dépôt d’une couche de matériau d’apport sur un substrat de base 6. Dans ces exemples, les dépôts sont réalisés dans une atmosphère d’argon et d’hélium selon un ratio 80%/20% selon un débit d’environ 15 L.min-1. On visualise, en fonction de la vitesse Vd de dépôt et en fonction de la vitesse du matériau d’apport Vf la forme du dépôt de la couche de matériau d’apport déposée sur le substrat 6.

La est obtenue en calculant, en fonction de la vitesse Vd de dépôt et en fonction de la vitesse du matériau d’apport Vf, le ratio R de la hauteur h de dépôt sur la largeur l de dépôt, R= h/l pour une même couche 11, h et l étant illustrés pour la couche 11n-1 sur la . Le ratio R est, de préférence, proche de 1, par exemple compris entre 0,8 et 1,2.

Le ratio R est compris dans cette plage de valeurs préférentielle dans les zones non hachurées 34. Dans les autres zones, le ratio R n’est pas acceptable. Il y a un effondrement du bain de fusion, c’est-à-dire un ratio R inférieur à 0,8, dans la zone 35 et un manque de pénétration du bain de fusion, c’est-à-dire un ratio R supérieur à 1,2 dans la zone 36. On visualise un tel effondrement du bain de fusion dans certaines ébauches en cours de fabrication illustrées sur la , par exemple l’ébauche 10i. On visualise également un tel manque de pénétration du bain de fusion dans certaines ébauches en cours de fabrication illustrées sur la , par exemple l’ébauche 10a. Enfin, on visualise des ébauches 10 en cours de fabrication qui sont acceptables, comme par exemple l’ébauche 10e.

Sur la , on visualise, en fonction de la vitesse Vd de dépôt et en fonction de la vitesse du matériau d’apport Vf, la qualité de l’ébauche 10 obtenue, pour les mêmes conditions de dépôt qu’aux figures 4 et 5. Ainsi, on visualise que certaines plages de combinaisons seulement de vitesse de dépôt Vd et de vitesse du matériau d’apport Vf sont acceptables. Comme visible, le graphe est divisé en plusieurs zones illustrant l’acceptabilité ou non de l’ébauche obtenue en fonction des vitesses de dépôt et de matériau d’apport. Parmi les zones A, B, C, D et E visibles sur la , la zone A est préférée tandis que les zones B, C et D restent acceptables. La zone E, quant à elle, ne permet pas d’obtenir une ébauche acceptable. La zone A est également représentée sur les figures 4 et 5.

Le critère d’acceptabilité représente la quantité de projection et la continuité du dépôt. Lorsque des projections et/ou des discontinuités importantes sont obtenues, le critère d’acceptabilité vaut 0. A contrario, lorsqu’il n’y a ni projection ni discontinuité le critère d’acceptabilité vaut 1. Dans le cas de la zone D, le critère d’acceptabilité est compris entre 0 et 0,3. Dans le cas de la zone C, le critère d’acceptabilité est compris entre 0,3 et 0,6. Dans le cas de la zone B, le critère d’acceptabilité est compris entre 0,6 et 0,9. Enfin, dans le cas de la zone A, le critère d’acceptabilité est supérieur à 0,9 et de préférence supérieur à 0,9 comme c’est le cas de la zone A.

On voit par exemple que la zone A couvre, pour une vitesse V_fcomprise entre 4,8 et 5,2 m/min environ, une plage de vitesses V_dcomprise entre 20 et 35 cm/min environ. La zone A couvre également, pour une vitesse V_fcomprise entre 3,8 et 5,2 m/min environ, une plage de vitesses de dépôt V_dcomprise entre 38 et 85 cm/min environ. La zone A couvre encore, pour une vitesse V_fcomprise entre 4,4 et 5,2 m/min environ, une plage de vitesses de dépôt V_dcomprise entre 85 et 100 cm/min environ.

La représente également, délimitée par des pointillés, cette zone A. On visualise ainsi les vues de dessus illustrées par des photographies d’ébauches 10 préférées, avec des vitesses Vd et Vf se trouvant dans la zone A.

Sur la , on visualise une ébauche 10 réalisée dans un alliage d’aluminium 6061 sans avoir contrôlé les paramètres du matériel de soudage de manière à stabiliser le dépôt. Cette ébauche présente une porosité égale à 2 % environ. On visualise les pores P. Une telle ébauche 10 a des caractéristiques mécaniques faibles.

La stabilisation du dépôt est obtenue lorsque les paramètres du matériel de soudage, en particulier la vitesse du matériau d’apport, la vitesse de dépôt et la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte, sont contrôlés de manière à ce que les bains de fusion déposés aient sensiblement la même masse de matériau d’apport et sensiblement la même forme, c’est-à-dire sensiblement la même hauteur et sensiblement la même largeur. Cette stabilisation peut être vérifiée en capturant à haute vitesse des photographies de l’installation lors de la mise en œuvre du procédé, comme visible sur les figures 9 à 11.

La photographie de la est prise durant la phase de pic d’intensité 30. La photographie de la est prise durant la phase d’attente 31. La photographie de la est prise durant la phase de court-circuit 31. Ces différentes photographies permettent de s’assurer que la projection de matières dans un état de fusion est limitée.

Sur la , l’ébauche 10, visible également sur la en grossissement, présente une porosité inférieure à 0,5 % environ. Une telle ébauche a été obtenue en contrôlant les paramètres du matériel de soudage, en particulier la vitesse du matériau d’apport, la vitesse de dépôt et la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte, de manière à stabiliser le dépôt.

La différence de porosité entre les ébauches 10 des figures 8 et 12 est ainsi liée à une optimisation des paramètres dans la mise en œuvre du procédé selon l’invention. La vitesse du matériau d’apport Vf conditionne une synergie de paramètres du matériel de soudage utilisé dans la mise en œuvre du procédé pour réaliser l’ébauche 10 de la . Ces paramètres comprennent la vitesse de dépôt Vd, la vitesse du matériau d’apport Vf et la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte. Les paramètres peuvent comprendre des paramètres d’amélioration, comportant la fréquence de pulsation du cycle d’intensité, l’intensité au pic, la durée de la phase 30 du pic d’intensité, la vitesse de dépôt instantanée dans la phase d’attente 31, l’intensité dans la phase d’attente 31, l’intensité dans la phase de court-circuit 32, la variation temporelle d’intensité entre la phase de court-circuit 32 et la phase de pic 30, la durée de la variation de l’intensité entre l’intensité dans la phase de court-circuit 32 et l’intensité dans la phase de pic 30, la variation temporelle d’intensité entre la phase de pic 30 et la phase d’attente 31, la tension, le débit de gaz protecteur, la correction de la hauteur d’arc, le cycle d’impulsion horizontal, la durée de pré-gaz, la durée de post-gaz, la durée de correction de rétractation du fil et la durée inter-passes.

Un exemple de synergie pouvant permettre de réduire la porosité et donc d’améliorer les caractéristiques mécaniques de l’ébauche peut être :

fréquence de pulsation du cycle d’intensité : 60 Hz,
intensité au pic : 150 A
durée de la phase 30 du pic d’intensité : 1,8 ms,
vitesse de dépôt instantanée dans la phase d’attente 31 : 0 cm/min,
intensité dans la phase d’attente 31 : 60 A,
intensité dans la phase de court-circuit 32 : 15 A,
variation temporelle d’intensité entre la phase de court-circuit 32 et la phase de pic 30 : 220 A/ms,
durée de la variation de l’intensité entre l’intensité dans la phase de court-circuit 32 et l’intensité dans la phase de pic 30 : 0,5 ms,
variation temporelle d’intensité entre la phase de pic 30 et la phase d’attente 31 : 220 A/ms,
tension : 12 V,
vitesse de dépôt : 4 cm/min,
vitesse de matériau d’apport : 4,5 m/s,
type d’atmosphère gazeuse ; Ar80% He20%,
débit de gaz protecteur : 15 L/min,
correction de la hauteur d’arc : 0%,
cycle d’impulsion horizontal : 0,6,
durée de pré-gaz : 0 s,
durée de post-gaz : 3 s,
durée de correction de rétractation du fil : 0,06 s, et
durée inter-passes : 10 s.

On a illustré sur la une radiographie d’un autre exemple d’ébauche 10 en alliage 6061 réalisée selon le procédé de l’invention, l’ébauche 10 étant visible sur la . Sur cette radiographie, il est possible de voir les différents pores P.

On a illustré, sur les figures 16 à 20, différents graphes illustrant la dureté d’une ébauche 10 réalisée avec le procédé selon l’invention.

Dans le cas de la , on a réalisé uniquement l’étape de dépôt des couches 11 pour former l’ébauche 10 sans réaliser de traitement thermique ultérieur de l’ébauche 10 ainsi réalisée. On voit alors que la dureté du substrat 6 de base situé sur une plage entre 0 et 20 mm est bien supérieure à la dureté des couches 11 déposées pour former l’ébauche 10, qui s’étend sur une plage entre 26 et 55 mm dans cet exemple. On observe deux plateaux de duretés bien distincts entre le substrat de base 6 et l’ébauche 10. On observe que la dureté moyenne est d’environ 88 HV (dureté Vickers, en anglais « Hardness Vickers » homogène à des kg.F/mm²).

Dans l’exemple de la , on a, après réalisation de l’ébauche 10, fait subir à celle-ci un traitement thermique consistant en une hypertrempe c’est-à-dire un traitement thermique de mise en solution à 530 °C pendant une heure, suivi d’un refroidissement brutal dans de l’eau à température ambiante quelques minutes. On constate, en regardant le graphe de la , que la dureté de l’ébauche 10 est supérieure à celle du substrat de base 6 et que l’ébauche présente peu de porosités illustrées par le cadre. La dureté moyenne est de 81 HV.

Dans le cas de la , on a fait subir un autre traitement thermique à l’ébauche 10. Outre l’hypertrempe comme dans le cas de la , on a soumis l’ébauche 10 à une température de 175°C pendant huit heures. Cela correspond à un traitement thermique complet dit T6. La dureté moyenne est d’environ 107 HV. On observe ainsi sur la que la dureté obtenue après le traitement thermique complet T6 est bien supérieure à celle de la après le traitement thermique d’hypertrempe.

Dans le cas de la , on a fait subir un traitement de sur-vieillissement, dit traitement SRV, à l’ébauche 10. La dureté moyenne obtenue est alors d’environ 121 HV.

Dans le cas enfin de la , on a fait subir un traitement de sous-vieillissement, dit SSV, à l’ébauche 10. La dureté moyenne est alors d’environ 105 HV.

On a illustré sur la un exemple de pièce 20 pouvant être obtenue à partir de l’ébauche 10 de la en réalisant une étape de finition de l’ébauche 10. Dans cet exemple, l’état de finition consiste en un usinage de l’ébauche 10. Cette étape de finition comprend dans cet exemple un polissage de l’ensemble de l’ébauche 10 ainsi que la réalisation de deux fenêtres non traversantes 15 et 16.

L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.

On ne sort pas du cadre de l’invention si la pièce 20 est réalisée par forgeage de l’ébauche 10.

Le traitement thermique éventuellement mis en œuvre sur l’ébauche 10 peut avoir lieu après réalisation de l’ébauche 10. En variante, notamment dans le cadre d’un forgeage, c’est la pièce 20 et non l’ébauche 10 qui peut subir un tel traitement thermique.

Le substrat de base 6 peut être réalisé en latte support envers, par exemple réalisé en cuivre refroidi ou en matériau réfractaire thermiquement et conducteur, de manière à pouvoir être séparé de l’ébauche 10, notamment après réalisation de celle-ci.

Le substrat de base 6 peut être réalisé dans un autre matériau sans sortir du cadre de l’invention, par exemple dans un autre alliage d’aluminium à durcissement structural.

Le matériau d’apport peut comporter un autre alliage d’aluminium à durcissement structural.

Claims

Procédé de fabrication additive d’une ébauche (10) de pièce (20) en alliage d’aluminium à durcissement structural, comportant l’étape consistant à déposer ledit alliage, à l’état de fusion, en couche (11) par couche (11) sur un substrat de base (6), l’étape de dépôt étant mise en œuvre par utilisation d’un matériel de soudage à l’arc avec fil-électrode en atmosphère gazeuse inerte (MIG) avec courant et matériau d’apport pulsés selon un procédé de transfert de métal à court-circuit (CMT), le matériau d’apport (3) étant un alliage d’aluminium à durcissement structural, tout ou partie des paramètres du matériel de soudage, en particulier la vitesse du matériau d’apport, la vitesse de dépôt et la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte, étant contrôlés de manière à stabiliser le dépôt.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour une vitesse du matériau d’apport comprise entre 3,5 et 6,5 m/min environ, de préférence comprise entre 3,9 et 5,5 m/min environ, la stabilisation du dépôt est atteinte avec une vitesse de dépôt comprise entre 10 et 120 cm/min environ, notamment entre 20 et 100 cm/min environ.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la composition du gaz protecteur comporte un mélange d’argon et d’hélium, notamment un mélange en volume de 80% d’argon et de 20% d’hélium.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le procédé comporte une étape préalable de décapage du substrat de base (6).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat de base (6) est réalisé dans le même matériau que le matériau d’apport (3), le substrat de base (6) formant partie de l’ébauche (10).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat de base (6) est une latte support envers, par exemple réalisée dans un matériau réfractaire thermiquement et conducteur ou en cuivre refroidi et dans lequel le procédé comporte l’étape consistant à séparer le substrat de base (6) de l’ébauche (10) en alliage d’aluminium à durcissement structural.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les paramètres du matériel de soudage sont contrôlés de manière à former ensemble une synergie, les paramètres comportant la vitesse du matériau d’apport, la vitesse de dépôt et la composition du gaz protecteur formant l’atmosphère gazeuse inerte et des paramètres d’amélioration choisis dans le groupe constitué par la fréquence de pulsation du cycle d’intensité, l’intensité au pic, la durée de la phase du pic d’intensité, la vitesse de dépôt instantanée dans la phase d’attente, l’intensité dans la phase d’attente, l’intensité dans la phase de court-circuit, la variation temporelle d’intensité entre la phase de court-circuit et la phase de pic, la variation temporelle d’intensité entre la phase de pic et la phase d’attente, la tension, la durée de la variation de l’intensité entre l’intensité dans la phase de court-circuit et l’intensité dans la phase de pic, le débit de gaz protecteur, la correction de la hauteur d’arc, la durée de pré-gaz, la durée de post-gaz, la durée de correction de rétractation du matériau d’apport et la durée inter-passes.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape de traitement thermique de l’ébauche (10), le traitement thermique étant de préférence choisi dans le groupe constitué par une mise en solution suivie d’une trempe ou d’une hypertrempe, un murissement naturel ou un revenu, un recuit, un traitement thermique complet T6, de préférence un traitement thermique complet, et un mélange de ceux-ci.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’alliage d’aluminium à durcissement structural est choisi parmi la série 6000, notamment les alliages d’aluminium 6005, 6060, 6061, 6063, 6082, 6101 et 6262, ou la série 7000, notamment l’alliage d’aluminium 7075.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le matériau d’apport comportant un alliage d’aluminium à durcissement structural 6061 et présentant un diamètre égal à 1,2 mm environ, dans lequel pour une vitesse du matériau d’apport comprise entre 3,8 et 5,3 m/min environ, notamment entre 4 et 4,9 m/min environ, la stabilisation du dépôt est atteinte avec une vitesse de dépôt comprise entre 40 cm/min et 80 cm/min environ.
Procédé de fabrication d’une pièce (20) à partir d’une ébauche (10) réalisée en mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape de finition de l’ébauche (10), choisie de préférence dans le groupe constitué par l’usinage et le forgeage.
Procédé selon la revendication précédente, comportant l’étape consistant à réaliser un traitement thermique de la pièce (20), le traitement thermique étant de préférence choisi dans le groupe constitué par une mise en solution suivie d’une trempe ou d’une hypertrempe, un murissement naturel ou un revenu, un recuit, un traitement thermique complet T6, de préférence un traitement thermique complet, et un mélange de ceux-ci.